Сверхпроводящие магниты

С.В. Полосаткин ТПЭ
Магнитные системы плазменных
установок
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Магнитные системы плазменных установок
Магнитное поле используется для управления движением
заряженных частиц
- Удержание плазмы
- Транспортировка пучков
магнитные поля 10-5 – 103 Тл
Поле земли
Постоянные магниты
Электромагниты (железо)
Сверхпроводящие магниты
Теплые магниты
Импульсное сжатие
0,6·10-4 Тл
1,2 Тл
2 Тл
14 Тл
30 Тл
1000 Тл
Электромагниты
Электротехнические стали
µ=3000-8000, Bмакс=2 Тл
Электромагниты
Электротехнические стали
µ=3000-8000, Bмакс=2 Тл
N  I   H ж dl   H в dl
- Магнитодвижущая сила
 BdS  0
  Bж S ж  Bв S в
- Магнитный поток
 lж
l 
N  I    
 в 
 0   S ж 0 Sв 
Hж
Магнитное сопротивление
Hв
Электромагниты
Электротехнические стали
µ=3000-8000, Bмакс=2 Тл
N  I   H ж dl   H в dl
- Магнитодвижущая сила
 BdS  0
  Bж S ж  Bв S в
- Магнитный поток
 lж
l 
N  I    
 в 
 0   S ж 0 Sв 
Магнитное сопротивление
lж
0 
Hж
lк
0
Hв

lв
0
Электромагниты
Электротехнические стали
µ=3000-8000, Bмакс=2 Тл
N  I   H ж dl   H в dl
- Магнитодвижущая сила
 BdS  0
  Bж S ж  Bв S в
lж
- Магнитный поток
 lж
l 
N  I    
 в 
 0   S ж 0 Sв 
0 

lв
0
Hж
Магнитное сопротивление
Hв
lк
0
Постоянные магниты
NdFeB – Bмакс=1,4 Тл, B·H~ 300 кДж/м3, tмакс=120°С, tКюри=340°С
SmCo – Bмакс=1 Тл, B·H~ 300 кДж/м3 , tмакс=200°С, tКюри=800°С,
коррозионная стойкость
AlNiCo (ЮНДК35Т5БА) – Bмакс=1 Тл, B·H~ 36 кДж/м3 , tмакс=250°С
B
Hм
Постоянные магниты
  H м dl м   H ж dlж   H в dlв
Hж
 BdS  0
Hм
Hв
  Bм S м  Bж S ж
 lж
l 
 H м  l м    
 в 
 0   S ж 0 Sв 
B
Hм
Сверхпроводящие магниты
Nb Ti
Tкр=9.2 К
Bмакс=7.5 Тл
  T 1.7 
BC 0 (Тл)  14.6  1  
 
  9.2 К  
Nb3Sn
Tкр=18.3 К
Bмакс=13.5 Тл (1.8 К)
Хрупкий – деформация меньше 0.5%
Необходим отжиг 300 часов в инертных газах при T=700 C
MgB2 (открыт в 2001 году)
Tкр=40 К
B=2 Тл (20 К)
Сверхпроводящие магниты
Ограничения – плотность тока, максимальное поле
Макс. поле – определяется хим.структурой
Плотность тока – зависит от технологии производства
Постоянные сверхпроводящие магниты
YBCO (Yt-Ba-Cu-O) – керамика
“Захваченное” поле до 17 Тл при 29 К
Masaru Tomita and Masato Murakami
High-temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29 K
Nature 421, 517-520(30 January 2003)
Сверхпроводящие магниты
Уменьшение потока тепла в криостат (1 Вт – 1,4 литра гелия / час)
-Тепловые экраны (тепловой поток ~sT4)
-Высокотемпературные сверхпроводящие вводы
-Охлаждение внутри криостата
токовводы
кулер
токовводы
токовводы
ВТСП
N2
магнит
магнит
LHe 4,2 K
LHe 4,2 K
LN2 77 K
Экран 20 K
Сверхпроводящие магниты
Уменьшение потока тепла в криостат (1 Вт – 1,4 литра гелия / час)
Кулер – производительность до 1,5 Вт, потребляемая мощность
10 кВт
кулер
токовводы
токовводы
ВТСП
магнит
4,2 K
Экран 20 K
Теплые магниты
Для получения полей выше 15 Тл нужно использовать теплые
или комбинированные магниты
Основная проблема – механическая прочность
Медь sтек=30 кг/мм2
–
Bмах=30 Тл
B2
P
2 0
Механическая прочность
Fr
Fa
Fa=Pм S k (h/2a) S= π a2
для h/2a=1-100
ГОЛ-3
a
а= 8cm Н=10 Тл Pм
=400кг/см2
S=200 cm2
h
k= 0.5-1.5
F=80 Tонн (!)
Проблема механической устойчивости
Секционированный соленоид
Катушки Гельмгольца
Однородность при r < a/2
а
а
Нz(0)=0.7 I/a
2-5%
Диски Биттера
Вложенные спирали – до 100 Тл
Постоянный режим – 35 Тл
10 Тл – 1,7 МВт
Импульсное сжатие
Сжатие взрывом – до 2800 Тл
Проект МАГО (Арзамас-16)
1018см-3, 300 эВ, 10 Тл - 1020см-3, 10 кэВ, 100 Тл
I
Расчеты магнитных полей
Закон Био-Савара
 0 I  dl 
dB 
4 r 2
2 D – SAM, Mermaid – ИЯФ СО РАН
POISSON, FEMLAB
Бесконечно много доступных программ
…..
3D – FEMLAB, TOSKA, ANSYS, MASTAK
Измерение магнитных полей
Индукционная катушка – импульсные поля
Вращающаяся рамка
Датчики Холла
Ядерный магнитный резонанс
Магнитные системы термоядерных установок
B, Tл
10
5
04P O016R
ГОЛ-3
0
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
Расстояние от входной пробки (Z), м
ГДЛ
Токамак
Тороидальные магнитные системы
Магнитное поле токамака
Магнитное
поле токамака
TOKAMAK
Литература
Токамак ИТЕР
Вложенные магнитные поверхности
Область удержания плазмы
Последняя замкнутая
поверхность (LCFS)
Переходный слой
(Scrapp-off layer)
Стенка
Вложенные магнитные поверхности
Лимитер
Дивертор
Стеллараторы
Спитцер, 1951 г.
Стелларатор
Гелиотрон (LHD, Япония)
Гелиас (HELical ADvanced Stellatator)
W-7X, Германия
Стелларатор
Неточности изготовления магнитной системы приводят к появлению участков
хаотического поля на периферии
Энергия магнитного поля
B2
W
V
2 0
ГОЛ-3: 5 Тл, 200 см2 12 м – 2,5 МДж
ИТЕР: 6 Тл, 1000 м3 – 15 ГДж !!!!!!!
Энергия магнитного поля
B2
W
V
2 0
ГОЛ-3: 5 Тл, 200 см2 12 м – 2,5 МДж
ИТЕР: 6 Тл, 1000 м3 – 15 ГДж !!!!!!!